在高溫超導(dǎo)濾波器后級的低溫低噪聲放大器的設(shè)計和調(diào)試方法

Low Noise Amplifier in HTS System

摘要： 低噪聲放大器是微波通訊系統(tǒng)中非常重要的功能器件。本文研究了使用在高溫超導(dǎo)濾波器后級的低溫低噪聲放大器的設(shè)計和調(diào)試方法。總結(jié)了綜合功率匹配，駐波匹配和噪聲匹配的設(shè)計思路。同時針對低溫下（70K）由于晶體管S參數(shù)的變化導(dǎo)致放大器性能和常溫相比有很大改變的情況，利用Smith圓圖和可調(diào)微帶電容幫助調(diào)試，并研制了頻帶為1.9GHz-2GHz的低溫低噪聲放大器。其增益大于18dB，輸入輸出反射損耗小于-20dB，噪聲低于0.5dB。

關(guān)鍵詞： 超導(dǎo)濾波器系統(tǒng); 低溫特性; 匹配網(wǎng)絡(luò)

Abstract: A method was presented to design and fabricate a Low Noise Amplifier(LNA) which works in high temperature superconducting System at low temperature (70K). The design methodology integrates the aspects of noise matching, impedance matching, gain matching and linearity matching. The LNA performances have a remarkable change due to the S parameters deviation of transistor in cryogenic temperature. Smith chat and adjustable microstrip capacitance are used to debug these deviations is discussed and in cryogenic temperature the LNA achieved a power gain of 18dB, a maximum noise figure of 0.5dB, and input and output return loss of better than -20dB within the bandwidth 1.9GHz-2GHz.

Key words: superconducting System; cryogenic performance; matching circuit
EEACC: 1220

隨著超導(dǎo)材料應(yīng)用的發(fā)展,采用高溫超導(dǎo)材料制備的濾波器表現(xiàn)出前所未有的高性能. 高溫超導(dǎo)濾波器與低溫低噪聲放大器(LNA) 組成的射頻接收機(jī)前端具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。在國內(nèi)，自行研制的超導(dǎo)接收機(jī)前端已經(jīng)在移動通訊基站中試運(yùn)行，并獲得良好效果。超導(dǎo)接收機(jī)前端是由高溫超導(dǎo)濾波器、LNA、制冷機(jī)、真空腔及控制電路組成，如圖1所示。由于LNA工作在和超導(dǎo)濾波器相同的低溫環(huán)境下，放大器電路的熱噪聲相當(dāng)?shù)?。在晶體管選取方面，HEMT(高電子遷移率場效應(yīng)晶體管)很低的噪聲和良好低溫性能非常符合要求。由于可獲取商業(yè)用晶體管的S參數(shù)僅限于常溫至-55oC, 對制備低溫70K下工作的放大器帶來一定的問題。

本文選用atf-54143型晶體管，采用常溫下晶體管的S參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，并主要采用集總元件實現(xiàn)電路匹配。詳細(xì)分析了如何設(shè)計匹配電路來滿足放大器各項指標(biāo)要求，并提出了低溫環(huán)境下的調(diào)試方法。

圖1 超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)
1 放大器設(shè)計

將放大器電路按圖2作簡化，由于1.9GHz-2GHz屬于L波段，選擇集總元件作匹配電路可以有效減小電路尺寸。設(shè)計方法同常溫下設(shè)計低噪聲放大器的方法一致，通過微波仿真軟件ADS幫助計算，綜合考慮功率匹配，噪聲匹配和駐波匹配，在保證放大器絕對穩(wěn)定的前提下找到平衡點(diǎn)，使得各指標(biāo)滿足性能要求。

圖2 放大器示意圖

噪聲系數(shù)是優(yōu)先考慮的對象，晶體管的噪聲由下式?jīng)Q定：

輸出匹配電路為了穩(wěn)定性的考慮通常要加入損耗元件，其功率匹配和駐波匹配不再一致，設(shè)計的主要任務(wù)是得到需要的ΓL值的同時改善輸出駐波匹配。

2 放大器的研制和低溫下調(diào)試

根據(jù)設(shè)計的電路繪制PCB版圖，焊接元件，封裝等一系列步驟以后，研制出需要的放大器（圖3）。在70K超導(dǎo)溫度下測量，發(fā)現(xiàn)其性能和設(shè)計有較大偏差，這一方面是由于實際電路中大量短微帶線的影響，各分立元件的離散性，和軟件模擬晶體管性能的誤差。更重要原因的是晶體管特性在如此低的溫度下發(fā)生的顯著的變化。根據(jù)德國波鴻大學(xué)Helmut Piel 教授小組對atf54143晶體管低溫特性的測量，其S參數(shù)較常溫都呈現(xiàn)往高頻偏移的特性[3]。

圖3 放大器實物圖

由此可見，根據(jù)實測結(jié)果對電路的部分元件進(jìn)行調(diào)整是必需的。調(diào)試的步驟可歸納為低溫下測量 ━ 理論計算偏差值 ━ 常溫下置換元件 ━ 低溫下測量的循環(huán)過程，直到獲得滿意的性能。

放大器的調(diào)試主要就是匹配點(diǎn)的調(diào)試，借助Smith圓圖將使這個過程變得直觀方便。以輸入駐波為例，根據(jù)低溫下網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的Γ1值利用史密斯圓圖可以反推Γin值，然后計算使Γ1=0的C1*,L1*取值。值得注意的是，放大器兩端的引線和SMA接頭的長度lin必須加入計算。圖4形象地展示了計算的過程。

C1，L1作為貼片元件，其元件值都是分立的，經(jīng)常出現(xiàn)元件系列中沒有需要的元件值的情況，這給調(diào)試帶來一定的困難。采用可調(diào)微帶電抗可以很好的解決這個問題。圖4中給出了可調(diào)微帶電容的結(jié)構(gòu)，一個電容后端接了一段開路微帶線，根據(jù)微帶線理論，此支路等效阻抗Z1由（3）式?jīng)Q定：

其中，β由微帶線寬高比W/h和介質(zhì)介電常數(shù)決定，通過改變微帶線寬W可以改變參數(shù)β。于是我們可以通過調(diào)節(jié)微帶線的L與W來微調(diào)接入阻抗Z的值。這樣的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個連續(xù)可調(diào)的電容C’。增加這樣一個可調(diào)微帶電容結(jié)構(gòu)以后，支路電容值可以通過切割或者粘貼微帶線連續(xù)可調(diào)，給低溫調(diào)試帶來極大的便利。類似的，如果使用一段末端接地的短微帶線作為支路，則相當(dāng)于一個可調(diào)電感，同樣可以用來調(diào)試放大器電路。

圖4 Smith圓圖和可調(diào)微帶電容
上述調(diào)試方法適用于L波段，對于更高的微波頻段，電路分布效應(yīng)進(jìn)一步增加，需要更精確的調(diào)試方法。最后，經(jīng)過調(diào)試的低溫低噪聲放大器在70K溫度下1.9GHz-2GHz通帶內(nèi)滿足增益大于18，輸入輸出反射損耗小于-20dB，噪聲低于0.5dB，滿足性能要求并且和超導(dǎo)濾波器匹配良好（圖5）。

圖5 低溫低噪聲放大器性能

3 結(jié)論

本文介紹了低溫下低噪聲放大器的設(shè)計調(diào)試方法。總結(jié)了綜合考慮功率匹配，駐波匹配和噪聲匹配的設(shè)計思路。針對低溫下放大器性能和常溫相比有很大改變的情況，提出了利用Smith圓圖和微帶可調(diào)電容結(jié)構(gòu)的調(diào)試方法，并成功研制出工作在高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)中頻率范圍為1.9G-2GHz的低溫低噪聲放大器，其各項指標(biāo)均達(dá)到要求，該方法對于L波段均適用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):
1． 介紹工作在超低溫(70K)下的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)中低噪聲放大器的研制方法。
2． 利用Smith圓圖和可調(diào)微帶電容進(jìn)行低溫下調(diào)試
3． 并研制出了高性能的1.9GHz-2GHz頻段的低溫低噪聲放大器。

參考文獻(xiàn):
[1] Klauda. M, Kasser. T, Mayer. B.“Superconductors and Cryogenics for Future Communication Systems”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000;48(7):1228.
[2] 李宗謙.《微波工程基礎(chǔ)》.清華大學(xué)出版社，2004：168.
[3] 王昕，王凡，張曉平等. “場效應(yīng)器件低溫特性與低噪聲放大器”.低溫物理學(xué)報，2005;27(2):159-164.
[4] 王昌林，李東生，張勇. “一種射頻CMOS低噪聲放大器的設(shè)計”. 微計算機(jī)信息，2006.12:117-119

作者簡介：
蔡康康 男，1983年11月生于浙江，2004年畢業(yè)于清華大學(xué)電子工程系并獲清華大學(xué)學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)為清華大學(xué)物理系碩士研究生，研究方向主要為超導(dǎo)系統(tǒng)中低噪聲放大器設(shè)計。
Email:caikangkang00@mails.tsinghua.edu.cn; 聯(lián)系電話:13693322200
曹必松（1946- ),男,清華大學(xué)物理系博導(dǎo),研究方向：超導(dǎo)物理的基礎(chǔ)研究，超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用研究。